（北京空間科技信息研究所）

1 新型光學(xué)成像技術(shù)概況

為了滿足高軌道衛(wèi)星高分辨率對(duì)地觀測(cè)的要求，國(guó)外從20世紀(jì)末開(kāi)始研究新型光學(xué)成像技術(shù)，包括大口徑單體反射鏡成像技術(shù)、空間分塊可展開(kāi)反射成像技術(shù)、衍射成像技術(shù)、基于衛(wèi)星編隊(duì)的光學(xué)干涉合成孔徑成像技術(shù)和稀疏孔徑成像技術(shù)等。目前，前三類技術(shù)逐步走向工程化實(shí)施階段，后兩類技術(shù)由于技術(shù)難度過(guò)大，發(fā)展較為緩慢，還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

兩類面向工程化的大口徑反射成像系統(tǒng)大口徑單體反射鏡成像系統(tǒng)（左）；空間分塊可展開(kāi)反射成像系統(tǒng)（右）

對(duì)于反射成像系統(tǒng)，其反射鏡必須經(jīng)過(guò)鏡坯研磨、輕量化、拋光、鍍膜等復(fù)雜的加工工藝。美、歐等技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家目前僅能制造3～4米級(jí)空間應(yīng)用的單體反射鏡，而且鏡片研制成本十分高昂。由于系統(tǒng)規(guī)模隨口徑的平方成正比，若要進(jìn)一步提高單塊反射鏡的口徑，對(duì)現(xiàn)有火箭的運(yùn)載能力也提出了更大的挑戰(zhàn)。空間分塊可展開(kāi)反射成像技術(shù)可以在一定程度上解決系統(tǒng)規(guī)模與成像系統(tǒng)口徑之間的矛盾，其利用小口徑分塊鏡拼接成大口徑主鏡，避免加工大口徑單體反射鏡。但是這種技術(shù)途徑將大口徑反射鏡的制造難度轉(zhuǎn)移到主鏡拼接上，既需要高精度的波前傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)子鏡和主鏡的面形誤差，每個(gè)分塊鏡需要促動(dòng)器實(shí)時(shí)校正，才能使主鏡滿足高精度成像要求。此外，還需要精確的在軌展開(kāi)結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)難題致使其成本高昂。該技術(shù)的典型代表“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”（JWST）成本高達(dá)87億美元，且從原計(jì)劃的2011年發(fā)射延期到2018年。

與反射光學(xué)系統(tǒng)相比，衍射成像系統(tǒng)具有大口徑、高分辨率、結(jié)構(gòu)輕量化、空間可展開(kāi)、面形誤差要求低、易復(fù)制等特點(diǎn)，不但可以節(jié)約發(fā)射成本，還能夠顯著降低制造成本，衍射成像技術(shù)在靜止軌道高分辨率成像領(lǐng)域中具有重大潛力。

靜止軌道巨型衍射成像偵察衛(wèi)星示意圖

菲涅爾波帶片示意圖

光子篩示意圖

2 天基衍射成像系統(tǒng)的發(fā)展

衍射成像光學(xué)系統(tǒng)一般由物鏡和目鏡系統(tǒng)組成，是具有微結(jié)構(gòu)的新一代光學(xué)系統(tǒng)。成像系統(tǒng)中的物鏡為衍射透鏡，目鏡系統(tǒng)一般包括色差校正系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)。其工作原理是首先通過(guò)衍射透鏡匯聚光線，再由位于其焦點(diǎn)處的中繼光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行色差校正以增大帶寬，最后通過(guò)聚焦系統(tǒng)成像到焦平面上?，F(xiàn)階段，國(guó)外在天基成像領(lǐng)域，基于衍射原理制造成像系統(tǒng)的技術(shù)有兩種：一是菲涅爾波帶片技術(shù)；二是光子篩（PS）技術(shù)。光子篩技術(shù)是由菲涅爾波帶片技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。

菲涅爾波帶片成像系統(tǒng)

常見(jiàn)的菲涅爾波帶片是一系列透明和不透明的同心圓環(huán)組成的變間距光柵，其作用和匯聚透鏡相當(dāng)，是一種衍射成像器件。但其焦距與波長(zhǎng)成反比，因此存在較大的色散，在使用時(shí)必須進(jìn)行色差校正。

（1）雙衛(wèi)星方案

在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局項(xiàng)目的支持下，美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾（LLNL）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1998年提出了空間衍射望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃—“眼鏡”（Eyeglass）計(jì)劃，該方案由兩顆衛(wèi)星（“物鏡”衛(wèi)星和“目鏡”衛(wèi)星）一起構(gòu)成一個(gè)合作望遠(yuǎn)鏡，“物鏡”衛(wèi)星計(jì)劃由一個(gè)口徑20m的衍射透鏡構(gòu)成，負(fù)責(zé)聚集光線并將其聚焦于與其相距1km遠(yuǎn)的“目鏡”衛(wèi)星所在位置。

該衍射望遠(yuǎn)鏡的工作原理是菲涅爾波帶片原理。設(shè)計(jì)衍射望遠(yuǎn)鏡需要面臨的挑戰(zhàn)是衍射光學(xué)器件焦距反比于波長(zhǎng)，其色散特性會(huì)把不同顏色的光匯聚到不同的位置?；谶@一原因，衍射光學(xué)器件一般用于單色光成像。為了實(shí)現(xiàn)多色光成像，“目鏡”衛(wèi)星帶有采用Schupmann消色差原理的色差校正裝置。

“眼鏡”計(jì)劃衛(wèi)星系統(tǒng)（左）和5m口徑衍射主鏡（右）

勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制了口徑5m的主鏡，研究了大口徑平面薄膜衍射物鏡的折疊和展開(kāi)方法。組裝成功的口徑為5m的衍射主鏡，焦距為250m，相對(duì)孔徑為f/50，由72個(gè)被切割成精確的矩形和三角形的透鏡板組成。當(dāng)一塊透鏡板被組裝到適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，通過(guò)粘合到可折疊金屬框上的方法和相鄰的透鏡板接合。接縫的設(shè)計(jì)承受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在太空部署時(shí)所要承受的力。主鏡所使用的材料是700μm厚的康寧公司1737型薄玻璃板。

在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，繼續(xù)制造20m口徑的衍射物鏡困難是極大的，相關(guān)的材料技術(shù)、主鏡展開(kāi)技術(shù)、精密展開(kāi)結(jié)構(gòu)技術(shù)和大型望遠(yuǎn)鏡的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性技術(shù)都存在大量需要攻克的難題。并且，兩顆衛(wèi)星的編隊(duì)飛行誤差必須控制在極小的范圍內(nèi)，才能使通過(guò)衍射物鏡的光線聚焦在“目鏡”衛(wèi)星攜帶的成像儀上，這對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)的控制技術(shù)也提出了極高的要求，即便在當(dāng)今也難以實(shí)現(xiàn)，因此后續(xù)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向單衛(wèi)星方案。

“眼鏡”項(xiàng)目的意義在于，提出了利用衍射成像技術(shù)可以制造輕質(zhì)量、超大口徑的望遠(yuǎn)鏡，并提出了靜止軌道衛(wèi)星高分辨率成像的一種全新的技術(shù)解決途徑，該項(xiàng)目為衍射成像技術(shù)的后續(xù)發(fā)展提供了重要的理論參考價(jià)值。

（2）單衛(wèi)星方案

“莫爾紋”項(xiàng)目是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局于2010年開(kāi)展的大口徑衍射光學(xué)成像技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，其全稱為“薄膜光學(xué)成像儀實(shí)時(shí)利用”。項(xiàng)目旨在突破衍射薄膜、大型可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)、星上處理和壓縮等關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)開(kāi)發(fā)靜止軌道高分辨率衍射成像衛(wèi)星提供技術(shù)準(zhǔn)備。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局已于2010年8月授出了“莫爾紋”項(xiàng)目的研制合同。美國(guó)鮑爾航空航天技術(shù)公司（BATC，簡(jiǎn)稱鮑爾公司）作為主承包商，負(fù)責(zé)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、地面原理樣機(jī)的研制和測(cè)試；美國(guó)納克訓(xùn)（NeXolve）材料公司負(fù)責(zé)衍射薄膜的研制；勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)衍射鏡的研制。該項(xiàng)目分兩個(gè)階段實(shí)施。

第一階段，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)滿足空間飛行要求的薄膜材料，研制一個(gè)米級(jí)口徑的衍射薄膜主鏡，并開(kāi)展完整光學(xué)薄膜成像系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首先在熔石英基底上利用掩膜光刻蝕工藝制造了口徑0.2m的菲涅爾相位衍射波帶片，驗(yàn)證了其成像能力，而后在面向在軌應(yīng)用的薄膜基底上使用相似工藝制造了0.2m口徑的衍射薄膜鏡片。隨后，勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將加工工藝參數(shù)交給美國(guó)馬薩諸塞州北安杜佛鎮(zhèn)的先進(jìn)復(fù)制公司，該公司在920mm×800mm×8mm的石英掩膜板上制造了鍍鉻玻璃二元結(jié)構(gòu)母版，之后利用母版把衍射圖案印制到800mm口徑的石英基底上，再通過(guò)1kW的紫外光刻機(jī)把圖案轉(zhuǎn)移到薄膜基底上。

2011年7月25日，勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所屬的光子科學(xué)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室為“莫爾紋”項(xiàng)目研制完成了一個(gè)口徑0.8m、厚18μm的衍射薄膜鏡，采用菲涅爾波帶片形式，衍射效率為30%。2011年9月，鮑爾公司對(duì)外宣布“莫爾紋”項(xiàng)目第一階段研制工作結(jié)束，表明光學(xué)薄膜成像系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。

勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的0.8m口徑衍射薄膜鏡

第二階段，研制5m口徑光學(xué)薄膜成像系統(tǒng)的地面原理樣機(jī)。2013年4月，勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室向鮑爾公司交付了6塊邊長(zhǎng)約0.8m、面積約0.4m2的梯形衍射薄膜。隨后，鮑爾公司對(duì)6塊薄膜進(jìn)行了拼裝，制成了主鏡1/8扇區(qū)的衍射鏡片，并開(kāi)展了光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試工作。測(cè)試系統(tǒng)包括光源、主鏡和尾部光學(xué)系統(tǒng)。光源的輸出能量要求高，測(cè)試前光源被1.45m口徑的微調(diào)反射器校準(zhǔn)；主鏡用于成像；尾部光學(xué)系統(tǒng)用于接收、重構(gòu)和處理圖像。

測(cè)試中遇到了諸多問(wèn)題。衍射薄膜是面向空間應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，其本身具有近零的熱膨脹系數(shù)，但受研制期限和成本的限制，地面測(cè)試中支撐薄膜的金屬框架的熱膨脹系數(shù)較大；雖然濕度對(duì)金屬框架的影響甚微，但衍射薄膜易受地面濕度變化的影響；“莫爾紋”望遠(yuǎn)鏡焦距長(zhǎng)，因此整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)易受溫度、濕度和室內(nèi)空氣擾動(dòng)的影響；此外，測(cè)試環(huán)境所占空間較大，對(duì)環(huán)境因素的控制比較困難。

為了去除測(cè)試環(huán)境因素對(duì)成像質(zhì)量的影響，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，在光路中精確測(cè)量這些量是必須的，溫度和濕度影響聚焦和圖像的傳輸，而空氣擾動(dòng)直接影響圖像質(zhì)量。為了校正望遠(yuǎn)鏡，鮑爾公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量光束受環(huán)境影響所產(chǎn)生的位移，并通過(guò)3個(gè)帶有促動(dòng)器的光學(xué)部件進(jìn)行補(bǔ)償。鮑爾公司通過(guò)對(duì)這塊鏡片的測(cè)試，獲得整個(gè)衍射薄膜主鏡的相關(guān)技術(shù)性能與參數(shù)。

2013年12月5日，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局對(duì)外宣布完成了1/8扇區(qū)的衍射鏡片的測(cè)試工作，項(xiàng)目進(jìn)展順利，衍射薄膜鏡的衍射效率已從第一階段的30%提升到55%，大大提高了系統(tǒng)的光線透過(guò)率和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

按照美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的計(jì)劃，鮑爾公司將繼續(xù)制造剩余7塊扇區(qū)的鏡片，作為衍射光學(xué)系統(tǒng)的可展開(kāi)分塊鏡，拼接成完整的5m口徑的主鏡，進(jìn)而完成整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)地面原理樣機(jī)的研制，進(jìn)行系統(tǒng)展開(kāi)和光學(xué)性能測(cè)試。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局還計(jì)劃在“莫爾紋”項(xiàng)目取得成功后，進(jìn)一步研制一顆10m口徑的靜止軌道衍射成像技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行全面的演示驗(yàn)證。

業(yè)務(wù)型實(shí)用系統(tǒng)將交由美國(guó)國(guó)家偵察局（NRO）開(kāi)發(fā)。目前，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局宣稱的業(yè)務(wù)系統(tǒng)成本約5億美元，光學(xué)系統(tǒng)采用菲涅爾波帶片或者光子篩形式的主鏡，口徑將達(dá)到20m，在發(fā)射時(shí)處于折疊狀態(tài)，入軌后展開(kāi)。系統(tǒng)未采用雙衛(wèi)星編隊(duì)方案，而是采用具有伸出大型桁架結(jié)構(gòu)的單衛(wèi)星方案。業(yè)務(wù)型偵察衛(wèi)星能夠在靜止軌道實(shí)現(xiàn)1m的高分辨率，視場(chǎng)為10km×10km，成像速率可高達(dá)1幅/秒，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方軍事目標(biāo)的連續(xù)監(jiān)視，將大幅提升對(duì)艦船、導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)等時(shí)敏目標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視能力。

光子篩成像系統(tǒng)

光子篩是近10年發(fā)展起來(lái)的新型衍射光學(xué)成像器件。它首先由德國(guó)Kiel大學(xué)為提高軟X射線的聚焦能力而提出。光子篩的基本原理基于菲涅爾波帶片，是由充滿微小孔的環(huán)帶組成。每一個(gè)微孔的衍射光在光子篩后的相應(yīng)位置同相相加，就像許多同相的小口徑陣列。用微孔環(huán)帶陣列替代菲涅爾波帶片中的透明環(huán)帶，大大提高了光子篩聚焦光束的尖銳性，使得光學(xué)成像質(zhì)量得到極大提高。光子篩是由一塊薄片組成，只需在外圍使用支撐結(jié)構(gòu)，因而使得光子篩的實(shí)用性大大提高。光子篩可以在波帶片的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高分辨率，但要犧牲一定的光通量。

采用光子篩衍射成像系統(tǒng)的偵察衛(wèi)星示意圖

美國(guó)空軍學(xué)院鍍鉻石英基板光子篩技術(shù)發(fā)展

美國(guó)在開(kāi)發(fā)天基光子篩成像技術(shù)時(shí)，沿著理論研究、陸基試驗(yàn)、低軌驗(yàn)證、低軌應(yīng)用、高軌實(shí)現(xiàn)這樣一條發(fā)展途徑，一步步將光子篩技術(shù)實(shí)用化。美國(guó)空軍學(xué)院（AFA）主要負(fù)責(zé)天基光子篩成像技術(shù)的理論研究和在軌試驗(yàn)工作，美國(guó)航空航天局（NASA）輔助對(duì)光子篩進(jìn)行地面驗(yàn)證，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局開(kāi)展的“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”（SeeMe）和“莫爾紋”計(jì)劃也涉及光子篩。

（1）光子篩成像理論的研究

美國(guó)空軍學(xué)院哥奧夫·安德森（Geoff Andersen）教授的研究小組對(duì)光子篩的成像理論進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。光子篩按照制作材料的不同，可以分為石英基板光子篩和薄膜光子篩。按照成像原理的不同，可以分為振幅型光子篩和相位型光子篩。其中，振幅型光子篩按照微孔位置的不同，可以分為正孔光子篩和負(fù)孔光子篩。薄膜光子篩由于面密度極輕，可以發(fā)射時(shí)折疊、入軌后展開(kāi)，可實(shí)現(xiàn)超大口徑，因此更加適用于航天領(lǐng)域。

2005－2006年，美國(guó)空軍學(xué)院相繼報(bào)道了研制振幅型鍍鉻石英基板光子篩的情況。對(duì)于菲涅爾波帶片，每個(gè)透光波帶對(duì)于焦點(diǎn)處場(chǎng)的作用是正的。同理，上述傳統(tǒng)光子篩的微孔中心都必須集中在菲涅爾波帶片的透光環(huán)帶內(nèi)，每個(gè)處于透光環(huán)帶的透光微孔對(duì)于焦點(diǎn)處場(chǎng)的貢獻(xiàn)也是正的。透光微孔的直徑可以增大到所在環(huán)帶寬度的1.514倍這一最優(yōu)值，這就減輕了制造的難度。2006年，美國(guó)空軍學(xué)院制作了含有500萬(wàn)個(gè)負(fù)孔（Antihole）的光子篩。該設(shè)備工作波段為507～557nm。這些負(fù)孔分布在每個(gè)偶數(shù)階菲涅爾不透光波帶上，直徑大小介于18～331μm之間，微孔的直徑為所在環(huán)帶寬度的3.514倍。這種設(shè)計(jì)方法打破了傳統(tǒng)光子篩的設(shè)計(jì)方法，使分辨率得到了大幅的提升。負(fù)孔光子篩的最小微孔尺寸比傳統(tǒng)光子篩大，總孔數(shù)也下降了50%，因此進(jìn)一步降低了加工難度和成本。但是，負(fù)孔光子篩的衍射效率極低，約0.35%，因此不適用于天基成像系統(tǒng)。

2006年后，美國(guó)空軍學(xué)院開(kāi)始研制振幅薄膜型光子篩，先后研制并測(cè)試了重氮基（Diazo）薄膜光子篩、電鍍鎳薄膜光子篩和CP1薄膜光子篩（CP1材料全稱為L(zhǎng)aRCTM-CP1），這三類光子篩都是根據(jù)負(fù)孔光子篩的理論設(shè)計(jì)的。研究表明，電鍍鎳薄膜光子篩和CP1薄膜光子篩的分辨率都優(yōu)于重氮基薄膜光子篩，而CP1薄膜韌性好、可卷曲，并且質(zhì)量很輕，這種薄膜還有近零熱膨脹系數(shù)（CTE），使得CP1薄膜更適合于航天應(yīng)用。

在制備工藝上，薄膜光子篩具有易復(fù)制的特點(diǎn)，可大大提高成像系統(tǒng)裝備衛(wèi)星的速度和規(guī)模，使衛(wèi)星星座和編隊(duì)飛行的成本大大降低。美國(guó)空軍學(xué)院制作薄膜光子篩望遠(yuǎn)鏡的流程如下：①制作鍍鉻石英基板光子篩模板；②在10μm厚的CP1薄膜上蒸鍍一層200nm厚的鋁；③在鋁上涂2μm厚的AZ1518型光刻膠；④使用光子篩模板，并采用紫外線光刻法，制作光子篩圖形，使原光子篩圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；⑤去除阻擋層，再去除鋁層，最后剝離光刻膠便制成了CP1薄膜光子篩。利用一塊模板就可以批量生產(chǎn)薄膜光子篩，這與傳統(tǒng)的折反式主鏡研磨生產(chǎn)方式相比，縮短了研制時(shí)間。

2011年，美國(guó)空軍學(xué)院又研制了相位型光子篩。這種光子篩雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但衍射效率比振幅型光子篩高數(shù)倍（可達(dá)40%），這可以減少成像時(shí)間。研究結(jié)果表明，薄膜制相位型光子篩比振幅型光子篩更適于空間應(yīng)用。

薄膜光子篩制作工藝圖

綜上所述，光子篩具有很多優(yōu)點(diǎn)：①光子篩使用薄膜材料使得光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量要輕很多，大幅降低了對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)承載能力的要求；②由于物鏡本身為輕質(zhì)、平面形狀，可以在發(fā)射時(shí)進(jìn)行折疊，入軌后再展開(kāi)，從而避免體積過(guò)大而給發(fā)射帶來(lái)的困難，便于增大光學(xué)系統(tǒng)口徑；③易復(fù)制的特點(diǎn)使光子篩的制造時(shí)間大幅縮短，光子篩的制作工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單。因此衍射成像光學(xué)系統(tǒng)將成為大口徑、高分辨率光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

（2）光子篩陸基成像驗(yàn)證

美國(guó)航空航天局與美國(guó)空軍學(xué)院合作，對(duì)光子篩進(jìn)行了成像驗(yàn)證。2011年8月，美國(guó)航空航天局報(bào)道了首次用光子篩對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行成像，并獲得了理想的結(jié)果。該光子篩包含1500個(gè)菲涅爾波帶，共有1.5億個(gè)微孔，制作在鍍鉻玻璃基板上，焦距為400mm，工作波長(zhǎng)為656.3nm。美國(guó)航空航天局稱，“這次試驗(yàn)對(duì)以甚高分辨率（0.01"）成像為目標(biāo)的衍射光學(xué)來(lái)說(shuō)是十分重要的一步?！?/p>

（3）即將在軌驗(yàn)證光子篩

美國(guó)空軍學(xué)院將于2 0 1 5年發(fā)射獵鷹衛(wèi)星－7（FalconSat－7），這顆衛(wèi)星實(shí)際上是一顆3U立方體衛(wèi)星（CubeSat），其尺寸約為30cm×10cm×10cm，質(zhì)量不超過(guò)4kg。該星搭載口徑為0.2m、焦距為0.4m的光子篩望遠(yuǎn)鏡，工作波長(zhǎng)為656.28nm，孔數(shù)達(dá)25億個(gè)，孔尺寸為2～277μm，光子篩薄膜為CP1，厚度25μm。該衛(wèi)星計(jì)劃發(fā)射到450km的低地球軌道，對(duì)地觀測(cè)分辨率為1.8m。該衛(wèi)星的1/2體積就可以裝載整個(gè)光子篩成像光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)射時(shí)光子篩如咖啡濾網(wǎng)般折疊裝載。

美國(guó)航空航天局制造的陸基光子篩太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)

2012年8月26日，美國(guó)空軍學(xué)院研究人員利用美國(guó)航空航天局的“嘔吐彗星”（Vomit Comet）飛機(jī)（經(jīng)改造的波音－727）的零重力實(shí)驗(yàn)艙對(duì)獵鷹衛(wèi)星－7的光子篩望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，光子篩在零重力條件下可以成功展開(kāi)。

若獵鷹衛(wèi)星－7在軌試驗(yàn)成功，美國(guó)還將利用6U～12U立方體衛(wèi)星攜帶亞米級(jí)分辨率的光子篩成像系統(tǒng)。

（4）展望光子篩的低軌應(yīng)用

為了解決戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)獲取不足，以及無(wú)法向基層作戰(zhàn)人員按時(shí)按需提供衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)等問(wèn)題，2012年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提出發(fā)展“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”計(jì)劃，該計(jì)劃利用低成本小衛(wèi)星星座滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求，以填補(bǔ)美國(guó)長(zhǎng)久以來(lái)利用高成本、長(zhǎng)壽命、大型偵察衛(wèi)星獲取圖像數(shù)據(jù)的能力空缺，進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大美軍的信息優(yōu)勢(shì)。針對(duì)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用對(duì)偵察衛(wèi)星及其應(yīng)用模式的創(chuàng)新需求，該構(gòu)想旨在基于低成本的小型成像衛(wèi)星星座，通過(guò)空中發(fā)射方式快速部署，以向前線基層作戰(zhàn)人員提供按需、快速的近實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)?！疤岣哕娛伦鲬?zhàn)效能的空間系統(tǒng)”計(jì)劃同時(shí)將成為無(wú)人機(jī)技術(shù)的一種補(bǔ)充，能夠彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)燃料受限制而無(wú)法覆蓋廣大區(qū)域的問(wèn)題。

光子篩薄膜在美國(guó)航空航天局零重力實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行展開(kāi)測(cè)試

“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”計(jì)劃致力于發(fā)展由“可丟棄”小衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，由24顆衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星在極低的軌道工作60～90天后離軌完全燒毀，不會(huì)造成空間碎片和墜地危險(xiǎn)?！疤岣哕娛伦鲬?zhàn)效能的空間系統(tǒng)”計(jì)劃能夠使海外作戰(zhàn)人員利用現(xiàn)有的手持設(shè)備在90min內(nèi)獲得衛(wèi)星圖像。該計(jì)劃將與美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“機(jī)載發(fā)射輔助進(jìn)入空間”（ALASA）計(jì)劃配套發(fā)展，利用其發(fā)展的機(jī)載衛(wèi)星發(fā)射平臺(tái)快速、廉價(jià)地將小衛(wèi)星送入所需軌道。

“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”衛(wèi)星的成像技術(shù)體制主要包括衍射成像技術(shù)或傳統(tǒng)反射成像技術(shù)，而后者必須采用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，減輕光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量，降低成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

為在靜止軌道部署高分辨率軍用光學(xué)偵察監(jiān)視衛(wèi)星，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局高度關(guān)注天基衍射成像技術(shù)，1998年支持勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展“眼鏡”項(xiàng)目，又于2010年開(kāi)展“莫爾紋”項(xiàng)目。兩個(gè)項(xiàng)目的側(cè)重點(diǎn)不同，“眼鏡”項(xiàng)目目標(biāo)是概念設(shè)計(jì)，以5m口徑薄玻璃基底衍射主鏡的成功研制結(jié)束，未研制可展開(kāi)結(jié)構(gòu)；而“莫爾紋”項(xiàng)目的目標(biāo)是研制薄膜制造的5m口徑衍射主鏡，并研制整個(gè)成像系統(tǒng)，包括可展開(kāi)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)，向衍射成像系統(tǒng)的最終在軌應(yīng)用走出了堅(jiān)實(shí)的一步。為在低軌部署面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的低成本、高分辨率小衛(wèi)星星座，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局于2012年開(kāi)展了“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”項(xiàng)目，并支持美國(guó)空軍學(xué)院開(kāi)展獵鷹衛(wèi)星－7項(xiàng)目，目標(biāo)是在軌驗(yàn)證光子篩衍射望遠(yuǎn)鏡。

在十幾年內(nèi)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局?jǐn)?shù)次支持衍射成像技術(shù)的發(fā)展，說(shuō)明衍射成像技術(shù)有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值，該技術(shù)將使靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星具備超大口徑和高分辨率，在區(qū)域持續(xù)監(jiān)視和動(dòng)態(tài)目標(biāo)監(jiān)視及指示方面的應(yīng)用潛力巨大。該技術(shù)將使低軌高分辨率衛(wèi)星超小型化、成本更低、易于發(fā)射和部署，在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用方面有巨大的作用。